大卫粒子物理学导论答案（大统一理论的新希望）

就在宇宙大爆炸之后，宇宙间只有一种初始的基本力。随着宇宙逐渐的冷却，初始基本力开始分离成了两种，接着变成三种，最后演变成今天已知的四种基本力：引力（作用在拥有质量的物体之间）、弱核力（支配了粒子的衰变）、电磁力（作用在带电粒子间）和强核力（将夸克束缚在一起）。物理学家一直梦想着能够发展出一个万有理论将这四种基本力统一起来。

○ 四种基本力。

事实上，科学家已经在大约100GeV的高能量之下，利用粒子对撞机实验使电磁力和弱核力统一成“电弱力”。这样的实验模拟了宇宙大爆炸后的兆亿分之一秒（10-12秒）的环境。

但问题是，在宇宙大爆炸后的10-36秒发生了什么？理论上，电弱力能够跟强核力统一在一起。这样的一个大统一梦想起始于1974年，Sheldon Glashow 和 Howard Georgi 发现数学的对称群SU(3)、SU(2)和U(1)——它们分别对应于强核力、弱核力和电磁力，加在一起共同构成了粒子物理学的标准模型——可以被纳入一个单一的更大的对称群：SU(5)，并将所有已知的粒子都囊括在内。

○ 在宇宙早期的高能之下，四种基本力都可以被统一在一起。| 图片来源：symmetry magazine

在SU(5)中，所有的粒子都可以被看做是五边形和十边形的数学结构来表示。举五边形为例，它的每条边要么表示一个夸克，要么表示一个轻子（夸克和轻子都是基本粒子）。但在数学上，五边形的每一边都是相同的，在这个模型中我们无法区分夸克和轻子。只有当宇宙冷却时，这样的对称性才会被打破，从而这个比喻性的五边形就会变成碎片，每个碎片则代表一个夸克或一个轻子。

SU(5)的一个副作用是，它预言了夸克和轻子之间的一个额外相互作用。这就意味着当构成质子的三个夸克之一会自发变成一个轻子时，质子发生了衰变。

○ 质子衰变是大统一理论的一个重要预言。| 图片来源：symmetry magazine

质子可以衰变，是大统一理论一个非常重要的预言。但唯一的问题是，目前实验还没有观测到任何质子衰变的迹象。例如日本的超级神冈探测器一直致力于监测衰变质子释放出的辐射，但没有观测到任何衰变的证据。他们的最新研究成果将质子寿命的下限提高到1.6×10-34年[1]，这比SU(5)预测的要高出几个数量级。

○ 大统一理论认为，一种单一的初始基本力分离出了今天支配基本粒子的强核力、弱核力和电磁力。如果这是正确的，那么当这种大统一力重现时，质子应该会发生衰变。图中我们可以看到质子的衰变途径：1代表由三个夸克组成的质子，其中的一个夸克会转变为一个对应的轻子，并释放出锥形的切伦科夫辐射，另外两个夸克会短暂的组成一个不稳定的介子，接着会立刻衰变成两道伽玛射线，并各自释放出锥形辐射。大统一理论有许多不同的模型，超级神冈探测器的结果排除一些理论（红色横条），还有一些模型依旧可能是对的（绿色横条）。| 图片来源：quanta magazine

SU(5)模型已经尽可能的简单，但研究人员发现一系列可以让现有粒子嵌入其中的对称群，它们的额外特征和变量允许质子的寿命得以延长，从而超过之前实验给出的结果。其中一些模型增加了一个额外的对称性，被称为“超对称”，这使粒子的数量瞬间翻了一倍。但问题是，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机并没有找到任何超对称的证据。

虽然目前我们并没有观测到质子的衰变，也没有发现超对称理论预言的新粒子，但有许多人仍坚信大统一理论是正确的。正如著名的粒子物理学家John Ellis就说道：“大统一理论在哲学意义上的动机依然存在，且一如既往的重要。我仍然爱着超对称理论，我也同时迷恋着大统一理论。” 那些坚信大统一理论的科学家认为，质子的寿命也许刚刚或远远超过当前探测器的能力。因此，他们只能把希望寄托于比现有更大的探测器上，比如日本的Hyper-K实验和美国的DUNE实验。当然，还有一些人对大统一理论已经完全失去了兴趣，比如最先提出大统一理论的Glashow。

○ 大统一理论的发展：标准模型的粒子和基本力可以被嵌入越来越大的对称群中，这对应的就是越来越复杂的大统一理论。上图表示了一些大统一理论的二维投影。我们可以看到，粒子依据自己的电荷沿着灰色轴线排布。载力粒子（即玻色子）表示为圆形和正方形，构成物质的粒子（即费米子）则用其它多边形表示。| 图片来源：Elementary Particle Explorer, Garrett Lisi, Troy Gardner, 和 Greg Little

除了漫长地等待未来的实验结果，有没有可能存在着另一种可能性：在质子不衰变的情况下，大统一理论也依旧可行？这的确是有可能的，在一篇最新的论文中[2]，加州大学圣地亚哥分校的 Bartosz Fornal 和 Benjamín Grinstein 在SU(5)的基础上建立了一个不需要质子衰变的大统一理论。

在新的模型中，Fornal 和 Grinstein 在SU(5)加入了两个新的结构，一个拥有40条边，另一个有50条边。这些结构代表了重场，它们帮助统一电弱力和强核力，并且可以阻止质子发生衰变。同时，他们所建立的理论，并不需要求助于超对称理论。他们的结果再次描述了这个成熟的领域依旧充满了丰富性和魅力。

接下来，他们所要做的就是利用这个新模型来解释为什么在2012年发现的希格斯玻色子的质量要比预想中的轻。这或许能够通过在理论中增加一个额外的场来解决。这个方法被证明有时候是非常有用的，比如为了解释所有粒子的质量起源之谜，物理学家在理论中加入了一个希格斯场，而这被实验证明是对的。他们也希望能够通过修正理论，将暗物质粒子的候选者引入到模型中。

在等待新的实验结果之前，或许这是一个值得尝试的方向。

[1] https://arxiv.org/abs/1610.03597

[2] https://arxiv.org/abs/1706.08535

[3] https://www.quantamagazine.org/no-proton-decay-means-grand-unification-must-wait-20161215/

[4] https://www.symmetrymagazine.org/article/a-gut-feeling-about-physics